Grzebienie częstości znajdują zastosowanie w rzeczywistym świecie
Grzebień częstości optycznej składa się ze źródła światła o równomiernie rozstawionych ostrych liniach spektralnych, które przypominają zęby grzebienia. Jako że częstości linii spektralnych są znane, grzebień służy do określania nieznanych częstości poprzez pomiar tonów dudnienia. Te ostatnie ujawniają różnicę między nieznanymi częstościami a częstościami grzebienia. Grzebienie częstości optycznej urzeczywistniono przy użyciu pulsujących laserów z synchronizacją modów, w których jednakowa odległość między licznymi liniami definiowana jest częstotliwością powtarzania laserów. Niedawno pojawiła się nowa klasa monolitycznych generatorów grzebieni częstości, która powstała poprzez sprzężenie lasera fali ciągłej z mikrownęką krzemową z wysokim współczynnikiem finezji. To nowe podejście stanowi obietnicę bezprecedensowo wysokiej sprawności i kompaktowości. Naukowcy pracujący nad wspieranym ze środków UE projektem μCOMB (Microresonator based frequency comb generators) poczynili kilka kroków w kierunku urzeczywistnienia tego typu urządzeń. Przy użyciu rezonatorów krystalicznych opracowali oni grzebienie częstości na bazie mikrorezonatorów w podczerwieni średniej — przedziale długości fali o szczególnym znaczeniu dla czujników molekularnych. W tym celu zespół projektu μCOMB zbadał i udoskonalił różne techniki wytwórcze, aby stworzyć konstrukcje znane także pod nazwą grzebieni Kerra w różnych materiałach i strukturach macierzystych. Wśród nich litograficznie zdefiniowane mikropierścienie są zgodne z technologią metal-tlenek-półprzewodnik, umożliwiając połączenie rezonatorów i falowodów sprzęgania ze strukturą monolityczną. Aby przybliżyć tego typu grzebienie częstości do zastosowania, należało przezwyciężyć jedną przeszkodę. Tam, gdzie są one generowane w rezonatorach krystalicznych lub na bazie azotku krzemu, przejawiają szum fazowy ukazujący się jako rozszerzanie się szerokości linii spektralnej. Jak się okazało, przyczyna tego szumu nie ma charakteru zewnętrznego — jak zakładano przed realizacją projektu μCOMB — ale wewnętrzny, związany z procesem formowania się grzebienia. Wyjaśnienie niezrozumiałych dotychczas zjawisk doprowadziło do stworzenia skutecznych środków pozwalających przezwyciężyć tę przeszkodę. Ponadto zidentyfikowano warunki szumu niskofazowego. Przełomowym osiągnięciem było zrealizowanie stanów z synchronizacją modów w mikrorezonatorach, z uzyskaniem danych wyjściowych łączących krótkie impulsy z wysoką częstotliwością powtarzania. Owe stany szumu niskofazowego wytyczyły szlak ku w pełni ustalonych grzebieni Kerra, które są obecnie w zasięgu nauki. Zaledwie kilka dni po zakończeniu realizacji projektu μCOMB, zademonstrowano bezprecedensowo wysoką koherencję czasową dla widm oktawowych wygenerowanych przy użyciu grzebienia częstości na bazie mikrorezonatora.
Słowa kluczowe
Grzebienie częstości, linie spektralne, laser fali ciągłej, mikrorezonator, czujniki molekularne
